Инфракрасная сканирующая система измерения температуры жидкой стали

Когда слышишь про инфракрасную сканирующую систему, многие сразу думают о чём-то вроде тепловизора для строительства — а в реальности это сложный комплекс, который должен выживать у конвертера, где даже защитные кожухи плавятся. Мы в ООО Шэньян Тэнъи Электроникс с 2010 года настраиваем такие системы, и первое, что пришлось осознать — стандартные калибровки здесь почти бесполезны, потому что спектр излучения жидкой стали меняется с каждой минутой продувки кислородом.

Почему обычные пирометы не справляются

Помню, на одном из заводов в Липецке пытались использовать точечные пирометры немецкого производства. Показания прыгали на 50–80 градусов — технологи злились, говорили, что система врет. А дело было в том, что измеряли не саму ванну, а шлаковую пену, которая имеет совершенно другую излучательную способность. Пришлось объяснять, что сканирующая система должна отслеживать именно чистую поверхность металла, причем в зоне без сильных газовых потоков.

Кстати, про излучательную способность — её коррекция (ε-коррекция) это отдельная головная боль. В теории всё просто: выставляешь коэффициент 0.8 для стали и работаешь. На практике же он плавает от 0.7 до 0.9 в зависимости от содержания углерода и температуры. Мы в Тэнъи Электроникс разработали алгоритм динамической корректировки, который учитывает не только спектральные характеристики, но и состояние газовой среды над ванной.

Самое сложное — не сама аппаратура, а её интеграция в технологический процесс. Например, если сканер установлен слишком низко — его заливает брызгами, слишком высоко — теряется точность из-за дымки. Приходилось месяцами подбирать высоту монтажа, иногда с потерей 2–3 защитных окон за смену.

Конструктивные особенности сканирующих систем

Наша последняя разработка — система с двойным охлаждением. Внешний контур водяной, внутренний — воздушный под избыточным давлением. Без такого решения оптику запыляет за две-три плавки. Кстати, давление в воздушном тракте должно быть выше давления в цехе на 0,2–0,3 бара, иначе пыль всё равно просочится.

Сканирующий механизм — отдельная тема. Шаговые двигатели не выдерживают вибрации от работы кислородной фурмы, пришлось переходить на сервоприводы с магнитной энкодерной системой. Да, дороже, но зато ресурс вырос с 6 месяцев до 3 лет.

Интересный момент с калибровкой — многие забывают, что черное тело нужно прогревать не менее 4 часов перед началом смены. Иначе дрейф показаний гарантирован. Мы даже разработали переносные эталонные излучатели, которые можно устанавливать прямо near конвертера.

Проблемы внедрения на действующих производствах

На КМК в 2018 году пытались поставить систему без адаптации под местные условия. Результат — первые сутки работала идеально, потом начались сбои из-за специфического состава пыли (высокое содержание цинка). Пришлось дорабатывать систему фильтрации и менять материал защитного окна на сапфировое вместо кварцевого.

Ещё казус был с кабельными трассами — монтажники проложили сигнальные кабели рядом с силовыми на участке 15 метров. Помехи от преобразователей частоты вызывали случайные срабатывания сканирования. Исправили только после экранирования и перекладки с медной витой парой вместо обычных многожильных проводов.

Самое неприятное — когда технологи не доверяют автоматике и продолжают дублировать замеры ручными погружными термопарами. Хотя погрешность наших систем не превышает ±5°C против ±15°C у контактных методов. Приходится месяцами вести параллельные протоколы, чтобы доказать состоятельность системы.

Особенности программного обеспечения

Наш софт в ООО Шэньян Тэнъи Электроникс изначально писался с учетом русскоязычного интерфейса, но главное — логика принятия решений заложена металлургами, а не программистами. Например, система игнорирует кратковременные всплески температуры (менее 0,5 сек) — это обычно помехи от брызг.

База данных хранит не только температуры, но и сопутствующие параметры: номер плавки, время продувки, положение заслонки. Это позволило на Уральской стали построить корреляцию между динамикой нагрева и качеством готовой продукции.

Самая полезная функция — прогнозирование температуры на выпуске. Алгоритм учитывает теплопотери при транспортировке к разливочной машине. Поначалу были ошибки до 20 градусов, пока не добавили поправку на скорость ковша и атмосферные условия.

Перспективы развития технологии

Сейчас экспериментируем с многоспектральным сканированием — это позволит определять не только температуру, но и химический состав поверхности по спектральным линиям. Пока точность по содержанию углерода неудовлетворительная (±0,05%), но для серы и фосфора уже получается стабильно.

Интересное направление — совмещение с системами компьютерного зрения. Камера высокого разрешения фиксирует распределение шлаковых включений, а ИК-сканер строит температурную карту. При наложении этих данных видно, где именно образуются холодные зоны.

Главный вызов — переход к предиктивной аналитике. Хотим научить систему предсказывать необходимость подогрева или добавления ферросплавов за 10–15 минут до критического изменения температурного профиля. Пока это работает в тестовом режиме на ЭСПЦ Северстали.

Практические рекомендации по эксплуатации

Обслуживание оптики — критически важно. Чистку защитных окон нужно проводить каждую смену, но без абразивных материалов. Мы рекомендуем специальные салфетки с пропиткой изопропиловым спиртом. И никогда не использовать сжатый воздух из цеховой сети — там всегда есть масляные пары.

Калибровку следует проводить не реже раза в месяц, а после ремонта конвертера — обязательно. Лучше всего это делать во время плановых остановок, когда есть доступ к измерительной зоне.

Резервное копирование настроек — элементарно, но многие забывают. При замене блока питания или переустановке ПО все параметры могут сброситься. Мы всегда оставляем распечатанную таблицу с основными настройками в щите управления.

Экономическая эффективность внедрения

На Череповецком меткомбинате после установки нашей системы удалось снизить перерасход ферросплавов на 12% — просто потому, что температура теперь контролируется постоянно, а не точечно. Экономия только по этому пункту окупила систему за 8 месяцев.

Снижение брака из-за перегрева — ещё один важный момент. Раньше на Магнитогорском комбинате до 3% плавок отправлялись в утиль из-за превышения температуры. Сейчас этот показатель упал до 0,7%.

Косвенная выгода — увеличение стойкости футеровки. Когда температура контролируется в реальном времени, нет резких перегревов, разрушающих огнеупоры. На Новолипецком комбинате зафиксировали увеличение межремонтного периода конвертера на 15 плавок.